TUGAS AKHIR – ME 141501
KAJIAN TEKNIS DAN EKONOMIS PERANCANGAN REEFER CONTAINER BERBASIS TEKNOLOGI CHANGE MATERIAL UNTUK APLIKASI DI KAPAL
Herdito Haryowidagdo NRP 4214 106 009
Dosen Pembimbing
Sutopo Purwono Fitri, S.T., M.Eng., Ph.D
DEPARTEMEN TEKNIK SISTEM PERKAPALAN FAKULTAS TEKNOLOGI KELAUTAN
INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA
2017
KAJIAN TEKNIS DAN EKONOMIS PERANCANGAN BERBASIS TEKNOLOGI PHASE UNTUK APLIKASI DI KAPAL
TEKNIK SISTEM PERKAPALAN
TUGAS AKHIR – ME 141501
KAJIAN TEKNIS DAN EKONOMIS
PERANCANGAN REEFER CONTAINER
BERBASIS TEKNOLOGI PHASE CHANGE
MATERIAL UNTUK APLIKASI DI KAPAL
HERDITO HARYOWIDAGDO NRP 4214 106 009
Dosen Pembimbing
Sutopo Purwono Fitri, S.T., M.Eng., Ph.D
Departemen Teknik Sistem Perkapalan Fakultas Teknologi Kelautan
Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya
FINAL PROJECT – ME 141501
TECHNICAL AND ECONOMIC ANALYSIS OF
REEFER CONTAINER COOLING SYSTEM
BASED ON PHASE CHANGE MATERIAL
TECHNOLOGY
HERDITO HARYOWIDAGDO NRP 4214 106 009
Bachelor Thesis Supervisor
Sutopo Purwono Fitri, S.T., M.Eng., Ph.D
Departement of Marine Engineering Faculty of Marine Technology
Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya
KAJIAN TEKNIS DAN EKONOMIS PERANCANGAN
REEFER CONTAINER BERBASIS
TEKNOLOGI PHASE CHANGE MATERIAL UNTUK
APLIKASI DI KAPAL SKRIPSI.
DiajukanUntukMemenuhi Salah SatuSyaratMemperolehGelarSarjanaTeknik
pada
BidangStudiMarine Machinery and System (MMS)
Program Studi S-1 DepartemenTeknikSistemPerkapalan FakultasTeknologiKelautan
InstitutTeknologiSepuluhNopember
Oleh :
HERDITO HARYOWIDAGDO
NRP 4214106009
DisetujuiolehPembimbingSkripsi:
SutopoPurwonoFitri, S.T., M.Eng., Ph.D ( ) NIP. 19751006 200212 1 003
iv
KAJIAN TEKNIS DAN EKONOMIS PERANCANGAN
REEFER CONTAINER BERBASIS
TEKNOLOGI PHASE CHANGE MATERIAL UNTUK
APLIKASI DI KAPAL SKRIPSI.
DiajukanUntukMemenuhi Salah SatuSyaratMemperolehGelarSarjanaTeknik
pada
BidangStudiMarine Machinery and System (MMS)
Program Studi S-1 DepartemenTeknikSistemPerkapalan FakultasTeknologiKelautan
InstitutTeknologiSepuluhNopember
Oleh :
HERDITO HARYOWIDAGDO
NRP 4214 106 009
Disetujuioleh
KetuaDepartemen TeknikSistemPerkapalan
( ) Dr. Eng. MuhammadBadrus Zaman, S.T., M.T.
NIP. 197708022008011007
vi
Saya yang bertanda tangan dibawah ini menyatakan dengan sebenarnya bahwa :
“Pada laporan tugas akhir yang saya susun ini, tidak terdapat tindakan plagiarisme dan menyatakan dengan sukarela bahwa semua data, konsep rancangan, bahan tulisan dan materi yang ada di laporan tersebut merupakaan milik Laboratorium Marine Machinery and System (MMS) di Departemen Teknik Sistem Perkapalan ITS yang merupakan hasil studi penelitian dan berhak dipergunakan untuk pelaksanaan kegiatan kegiatan penelitian lanjutan serta pengembangannya”.
Nama : Herdito Haryowidagdo
NRP : 4214106009
Judul Tugas Akhir : Kajian Teknis dan Ekonomis
Perancangan Reefer Container
Berbasis Phase Change Material
Untuk Aplikasi di Kapal
Departemen : Teknik Sistem Perkapalan
Fakultas : Fakultas Teknologi Kelautan ITS
Apabila di kemudian hari terbukti terdapat tindakan plagiarisme, maka saya akan bertanggung jawab sepenuhnyadan menerima sanksi yang diberikan oleh ITS sesuai dengan ketentuan yang berlaku.
Surabaya, 23 Januari 2017
viii
MATERIAL UNTUK APLIKASI D KAPAL
Nama Mahasiswa : Herdito Haryowidagdo
NRP : 4214 106 009
Departemen : Teknik Sistem Perkapalan, FTK-ITS
Dosen Pembimbing : Sutopo Purwono Fitri, S.T., M.Eng., Ph.D
ABSTRAK
Kontainer berpendingin (reefer container) merupakan kontainer pelayaran yang digunakan pada intermodal angkutan barang yang didinginkan untuk menunjang kegiatan transportasi pada muatan barang tertentu yang sensitive terhadap perubahan temperature lingkungan. Kandungan bahan refrigerant yang tidak ramah lingkungan menjadi masalah tersendiri dari penggunaan
reefer container konvensional. Selain itu kebutuhan daya yang cukup besar juga mengurangi nilai ekonomis dari penggunaan
reefer container ini, karena ketika kontainer diangkut masuk ke dalam ruang muat kapal dan kapal sedang berlayar, maka kontainer tersebut harus di charging / reefer plugging agar dapat mempertahankan temperature muatan di dalam kontainer.
Saat ini penggunaan teknologi untuk penyimpanan energi thermal aplikasi sistem refrigerasi yang banyak digunakan adalah
x
konvensional dan mesin refrigerasi dengan sistem hybrid PCM.Analisa perhitungan difokuskan pada perbandingan kinerja / COP, perhitungan teknis untuk komponen sistem refrigerasi serta perbandingan biaya ekonomis dan operasional antara mesin pendingin dengan sistem konvensional dan mesin pendingin dengan sistem hybrid PCM,
Pada hasil analisa dan pembahasan diketahui bahwa perancangan reefer container dengan sistem hybrid ini mengacu pada standar ASHRAE 2005 dari segi teknis yang meliputi pemilihan pipa refrigerant, jenis fluida, bahan insulasi pelapis dinding kontainer serta supporting pipeelements untuk penambahan komponen PCM pada sistem refrigerasi di reefer container. Hasil yang diperoleh pada sistem hybrid PCM ini mampu menghemat pemakaian daya kompresor (saving energy) hingga 57,7 kW per hari per kontainer atau setara dengan penghematan 9,65 liter bahan bakar untuk kebutuhan konsumsi diesel generator set di kapal per hari. Dari sisi ekonomi diketahui payback period untuk memodifikasi reefer container dengan sistem hybrid PCM, baru dapat tercapai pada tahun ke 3 sebesar Rp. 34,290.519,96. Sedangkan cummulative cash flow untuk sistem hybrid ini dapat melampaui sistem konvensional pada tahun ke 5 hingga 10.
CHANGE MATERIAL TECHNOLOGY
Student Name : Herdito Haryowidagdo
NRP : 4214 106 009
Department : Marine Engineering, FTK ITS
Bachelor Thesis Supervisor : Sutopo Purwono Fitri, S.T., M.Eng., Ph.D
ABSTRACT
Refrigerated container is a shipping container used in intermodal freight transport refrigerated to support the charge on certain goods that are sensitive to changes in environmental temperature (www.gia.org.sg). The properties of refrigerant that are not environmentally friendly be the other problem from the use of conventional reefer container. In addition it needs considerable power also reduces the economic value of the use of reefer container, since when the container is transported into the cargo hold space of ships and ship sail’s, the containers must be in the charging / reefer plugging it in order to maintain the temperature inside the cargo container.
Today the use of technology for thermal energy storage applications refrigeration system that is widely used is the Phase Change Material (PCM). Where PCM is able to absorb and release a number of latent heat increase or decrease based on changes in the surrounding environment temperature. The advantages of the PCM technology is able to reduce the energy consumption of a refrigeration system as well as more environmentally friendly so as to save the cost of energy consumption.
xii
system as well as economic and operational cost comparison between conventional engine cooling system and engine cooling with PCM hybrid system.
On the results of the analysis and discussion in mind that the design of reefer container with a hybrid system refers to the standard ASHRAE 2005 from a technical perspective that includes the selection of pipe refrigerant, fluid type, insulation material lining the walls of container and supporting installation elements for adding the components PCM on a refrigeration system in reefer container. The results, PCM hybrid system is able to save the compressor power consumption (energy saving) to 57.7 kW per day per container, equivalent to savings of 9.65 liters of fuel for consumption on board diesel generator sets per day. From the economic side note payback period for modifying reefer container with PCM hybrid systems, can only be achieved in the 3rd year of Rp. 34,290.519,96. While cummulative cash flow for this hybrid system can go beyond conventional systems in the year to 5 to 10.
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT atas limpahan rahmat serta Hidayah-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan Laporan Tugas Akhir sebagai syarat untuk memperoleh gelar sarjana di Departemen Teknik Sistem Perkapalan, Fakultas Teknologi Kelautan,Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya dengan Judul :
“Kajian Teknis dan Ekonomis Perancangan Reefer Container Berbasis Teknologi Phase Change Material
Untuk Aplikasi di Kapal”
Penulis menyadari bahwa terselesaikannya penyusunan tugas akhir ini tidak terlepas dari bantuan dan dukungan dari berbagai pihak, maka pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada :
1. Ayah dan Ibu di rumah sertaseluruhkeluarga yang senantiasa memberikan do’a dan kasih saying nya kepada penulis, sehingga penulis bisa menyelesaikan Tugas Akhir ini dengan lancar.
2. Sutopo Purwono Fitri, S.T., M.Eng., Ph,D selaku Dosen Pembimbing skripsi serta atasan penulis di Dekanat FTK periode 2015-2019 yangtelah memberikan kesempatan atas waktu bimbingan, bantuan, arahan, masukan, nasehat serta kesabarannya selama pengerjaan skripsi ini.
3. Prof. Daniel M. Rosyid, Ph.D., Prof. Eko Budi Djatmiko, Ph.D serta Dr.-Ing Setyo Nugroho selaku atasan penulis selama bekerja di Dekanat FTK yang telah memberikan izin dan kesempatan bagi penulis untuk melanjutkan studi hingga jenjang sarjana di ITS
xiv
5. Dr. Eng. M. Badrus Zaman, S.T., M.T., selaku Ketua Departemen Teknik Sistem Perkapalan, Fakultas Teknologi Kelautan ITS, yang telah memberikan kesempatan penulis untuk menyelesaikan Tugas Akhir.
6. Indra Ranu Kusuma, S.T., M.Sc., selaku Koordinator Tugas Akhir Departemen Teknik Sistem Perkapalan, Fakultas Teknologi Kelautan ITS, yang telah memberikan kesempatan penulis untuk menyelesaikan Tugas Akhir. 7. Teman teman Lintas Jalur Siskal Angkatan 2014yang
selalu memberi dukungan dan semangat satu sama lain 8. Teman teman alumni D3 ME PPNS 2010, yang telah
membantu penulis dalam mendapatkan data data skripsi dan memberikan masukan yang sangat bermanfaat.
9. Teman teman Tenaga Kependidikan di ITS, terutama Dekanat FTK yang selalu memberikan semangat dan dukungan kepada penulis untuk segera menyelesaikan skripsi ini.
10. Teman teman dan adik adik angkatan di Laboratorium Mesin Fluida dan Sistem, terima kasih atas dukungan, dan keceriaan nya selama di lab.
Penulis menyadari sepenuhnya bahwa laporan ini masih jauh dari kesempurnaan. Untuk itu adanya kritik dan saran yang bersifat membangun sangat penulis harapkan demi kesempurnaan penulisan selanjutnya.
Akhir kata, semoga Tugas Akhir ini dapat bermanfaat bagi kita semua dan dapat menjadi tambahan ilmu dan pedoman untuk melakukan penulisan selanjutnya.
LEMBAR PENGESAHAN ... iii
ABSTRAK ... ix
ABSTRACT ... xi
KATA PENGANTAR ... xiii
DAFTAR ISI ... xv
DAFTAR GAMBAR ... xx
DAFTAR TABEL ... xxii
BAB 1 PENDAHULUAN ... 1
I.1 Latarbelakang ... 1
I.2 PerumusanMasalah ... 4
I.3 BatasanMasalah ... 4
I.4 TujuanPenelitian ... 5
I.5 Manfaat Penelitian ... 5
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 7
II.1 Peti Kemas/Kontainer ... 7
II.1.1 Perkembangan kontainer ... 7
II.1.2 Reefer container ... 8
a. Cara kerja reefer container ... 9
b. Metode penempatan kontainer ... 10
c. Ukuran reefer container ... 12
II.1.3Peralatan penunjang reefer container ... 13
II.2 Perpindahan panas ... 14
II.2.1 Perpindahan panas secara konduksi ... 15
xvi
a. Beban produk ... 17
b. Beban infiltrasi ... 18
c. Beban transmisi ... 18
d. Koefisien perpindahan kalor menyeluruh ... 19
II.3 Sistem refrigerasi daur kompresi uap ... 20
II.3.1 Komponen sistem refrigerasi ... 21
a. Kompresor ... 21
b. Evaporator ... 22
c. Kondensor ... 24
d. Katup ekspansi ... 25
e. Pengering dan Saringan ... 25
f. Saringan (filter) ... 27
II.4 Phase Change Material ... 27
II.4.1 Pengenalan phase change material ... 27
II.4.2 Klasifikasi phase change material ... 29
a. Organic ... 30
b. Inorganic ... 31
c. Euthectic ... 32
BAB III METODOLOGI PENELITIAN III.1 Identifikasi dan Perumusan Masalah ... 33
III.2 StudiLiteratur ... 37
III.3 Pengumpulan Data ... 34
III.4 Studi Empiris ... 34
III.5 Perancangan Sistem Refrigerasi Reefer Container .... 35
III.5.1 Perhitungan Beban Pendinginan Total ... 35
III.5.1.1 Beban Pendinginan Produk ... 35
III.5.1.2 Beban Pendinginan Transmisi ... 35
III.5.1.3 Beban Pendinginan Infiltrasi ... 35
III.5.1.4 Beban Akibat Sumber Panas Lain ... 36
III.6 Tahap Analisa Data dan Pembahasan ... 37
III.7 Penutup ... 38
III.8 Flow Chart Pengerjaan Tugas Akhir ... 39
III.9 Time Line Pengerjaan Tugas Akhir ... 40
BAB IV STUDI EMPIRIS IV.1Konsep sistem refrigerasi hybrid pada reefer truck .... 41
IV.2Konsep sistem refrigerasi hybrid dengan PCM pada reefer truck ... 42
IV.2.1 Prinsip kerja secara umum ... 42
IV.2.2 Prinsip kerja sistem PCM Euthectic ... 44
IV.2.3 Kelebihan dan kekurangan sistem refrigerasi hybrid dengan PCM ... 45
IV.2.4 Pertimbangan dalam pemilihan PCM ... 45
IV.3 Sistem bongkar muat ... 46
IV.4 Komponen sistem refrigerasi hybrid ... 47
IV.5 Pertimbangan dalam perancangan reefer container .. berbasis teknologi PCM ... 47
IV.5.1 Aspek teknis ... 47
a. Pemilihan komponen penunjang ... 47
b. Desain reefer container ... 48
c. Life time ... 48
IV.5.2 Aspek Ekonomis ... 49
a. Daya kompresor ... 49
b. Capital expenditures ... 49
c. Fuel Saving ... 49
d. Operational cost ... 49
e. Analisa perbandingan ... 49
IV.6Penelitian sebelumnya ... 49
IV.6.1 Namjoshi et al ... 49
IV.6.2 Rahman et al ... 50
xviii
IV.7.1.1 Mesin refrigerasi konvensional ... 51
IV.7.1.2 Mesin refrigerasi dengan hybrid PCM ... 52
IV.7.2 Perawatan mesin refrigerasi ... 53
BAB V ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN ... 57
V.1 Spesifikasi kontainer ... 57
V.2Perhitungan beban pendinginan total ... 58
V.2.1 Beban pendinginan akibat produk... 59
V.2.2 Beban pendinginan akibat kardus ... 60
V.2.3 Beban pendinginan akibat transmisi ... 61
V.2.3.1 Perhitungan tahanan thermal ... 62
V.2.3.2 Perhitungan koefisien panas menyeluruh ... 70
V.2.4 Beban pendinginan akibat infiltrasi ... 71
V.2.5 Beban pendinginan akibat sumber panas ... 73
V.2.5.1 Beban pendinginan akibat penerangan ... 73
V.2.5.2 Beban pendinginan akibat pekerja ... 74
V.2.5.3 Beban pendinginan akibat motor listrik ... 75
V.3 Perancangan sistem refrigerasi ... 76
V.3.1 Perhitungan COP ... 78
V.3.2 Perancangan Evaporator ... 81
V.3.2.1 Perancangan sirip evaporator ... 84
V.3.2.2 Penurunan tekanan ... 87
V.3.3 Perancangan Kompresor ... 90
V.3.4 Perancangan Kondensor ... 91
V.3.5 Perancangan Katup Ekspansi ... 92
V.4 Estimasi penghematan biaya operasional ... 94
V.4.1 Perhitungan laju aliran massa refrigerant ... 94
V.4.2 Perhitungan daya kompresor ... 95
V.4.3 Perhitungan total kebutuhan massa PCM ... 96
V.4.4 Perhitungan penghematan energi kompresor ... 97
V.5 Analisa ekonomis ... 101
V.6.2.1 Pemipaan sistem refrigerasi ... 108
V.6.2.2 Komponen penunjang sistem ... 109
V.6.2.3 Bahan insulasi thermal ... 111
V.6.3 Kelebihan dan kelemahan sistem hybrid PCM ... 115
BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN ... 119
VI.1 Kesimpulan ... 119
VI.2 Saran ... 120
xx
xxii
V.9 Grafik perbandingan nilai COP pada kondisi
dengan PCM dan tanpa PCM ... 80 V.10 Perencanaan ukuran sirip evaporator ... 84 V.11 Grafik Energy saving (kWh) per hari ... 98 V.12 Grafik Cost saving per hari ... 99 V.13 Cost saving per bulan ... 100 V.14 Grafik Fuel saving per hari ... 101 V.15 Grafik cummulative cash flow dengan sistem
hybrid PCM ... 104 V.16 Grafik cummulative cash flow dengan sistem
konvensional ... 104 V.17 Diagram blok cara kerja sistem hybrid PCM ... 106 V.18 Perencanaan ukuran module PCM ... 108 V.19 Perencanaan peletakan module PCM pada
II.1 Detail spesifikasi Reefer Container ... 13 II.2 Konduktivitas thermal bahan... 16 III.1 Jadwal pelaksanaan tugas akhir ... 40 V.1 Dimensi Reefer Container... 57 V.2 Karakteristik muatan frozen food ... 59 V.3 Beban pendinginan akibat kardus ... 60 V.4 Setting ketebalan insulasi dinding ... 62 V.5 Setting ketebalan insulasi dinding alas ... 65 V.6 Resume perhitungan tahanan thermal insulasi ... 74 V.7 Resume perhitungan tahanan thermal insulasi
sisi alas ... 70 V.8 Resume perhitungan koefisien panas menyeluruh ... 71 V.9 Resume total beban pendinginan ... 75 V.10 Data sistem refrigerasi dengan PCM ... 77 V.11 Data sistem refrigerasi tanpa PCM ... 77 V.12 Resume nilai enthalpy ... 78 V.13 Resume perhitungan COP ... 80 V.14 Data perancangan evaporator ... 81 V.15 Faktor pengotoran normal ... 86 V.16 Resume perhitungan sistem refrigerasi ... 94 V.17 Laju aliran massa refrigerant ... 95 V.18 Kebutuhan daya kompresor isentropis ... 95 V.19 Kebutuhan daya motor penggerak kompresor ... 96 V.20 Saving energy kompresor per hari ... 97 V.21 Penghematan daya kompresor ... 99 V.22 Penghematan kebutuhan BBM per hari ... 100 V.23 Estimasi perhitungan cash flow untuk sistem
refrigerasi hybrid PCM... 102 V.24 Estimasi perhitungan cash flow untuk sistem
xxiv
V.26 Perbandingan sistem refrigerasi konvensional
PENDAHULUAN
I.1. Latar Belakang
pemakaian energi (www.rgees.com). Namun saat ini penggunaan teknologi PCM hanya terbatas diaplikasikan pada bidang industri di darat saja, seperti cold storage, household, domestic water heater, air conditioning, dll. Untuk penggunaan PCM di bidang marine, seperti halnya pada reefer container di kapal umumnya jarang digunakan, mengingat kondisi lingkungan laut yang dinamis sehingga dapat menurunkan produktivitas dari kinerja PCM pada suatu obyek ketika ia dioperasikan.
Pada skripsi ini akan dibahas tentang perancangan sistem refrigerasi reefer container berbasis teknologi phase change material yang diangkut oleh kapal. Pemilihan reefer container sendiri sebagai obyek penelitian antara lain karena kegiatan distribusi barang dalam skala besar pada saat ini banyak dilakukan oleh armada kapal. Sehingga kontainer kontainer tersebut sangat diperlukan untuk menjaga kualitas muatan agar tidak rusak selama pelayaran. Sedangkan reefer container sendiri diperlukan bagi jenis jenis muatan tertentu yang sensitif terhadap perubahan temperatur lingkungan seperti buah, daging, sayur sayuran, juice, ice cream, dan lain lain. Metode penelitian yang dipakai pada tugas akhir ini adalah studi perancangan berbasis pada studi literatur dan data data sekunder. Penelitian yang dilakukan bertujuan untuk menghasilkan suatu analisa teknis dari design sistem pendingin di reefer container di kapal yang menggunakan PCM hybrid yang dikombinasikan dengan unit mesin pendingin konvensional serta mengetahui analisa ekonomis yang didasarkan pada besar estimasi biaya pengurangan beban kerja unit mesin pendingin pada reefer
container maupun biaya pembelian untuk penambahan
komponen mesin pendingin berbasis PCM hybrid. Hasil yang diperoleh nantinya dapat dipergunakan sebagai bahan pertimbangan lebih lanjut bagi industri pelayaran dan angkutan barang maupun container maker untuk penggunaan phase
change material sebagai unit pendingin baru pada reefer
lain :
1. Bagaimana cara kerja sistem pendinginan berbasis phase change material untuk reefer container.
2. Bagaimana perhitungan desain sistem refrigerasi reefer
container yang memanfaatkan teknologi phase change
material.
3. Bagaimana perbandingan antara penggunaan reefer
container dengan unit mesin pendingin konvensional
terhadap reefer container dengan teknologi PCM ditinjau dari sisi teknis dan ekonomisnya.
I.3. Tujuan Penelitian
Adapun tujuan dari penulisan skripsi ini adalah :
Untuk mengetahui cara kerja sistem pendingin dengan
phase change material untuk reefer container yang
diaplikasikan pada kapal.
Untuk mengetahui desain sistem refrigerasi pada kontainer berpendingin yang memanfaatkan teknologi phase change material.
I.4. Batasan Masalah
Agar permasalahan yang dibahas dalam penulisan skripsi ini lebih terfokuskan, maka diberikan batasan masalah sebagai berikut :
1. Tidak menganalisa bahan kandungan/properties Phase
Change Material yang digunakan, dengan asumsi jika :
- PCM yang digunakan berbahan dasar cair/liquid
- PCM yang digunakan untuk proses freezing dengan kisaran temperatur 0 ~ -30oC, dengan komoditas yang diangkut berupa frozen food
2. Basic design sistem pendingin pada reefer container kapal mengacu pada existing design yang digunakan untuk perhitungan pendinginan di kontainer darat (mobile refrigerated container).
3. Desain reefer container terbatas pada desain sistem refrigerasi nya saja, bukan merupakan desain konstruksi atau struktur reefer container.
4. Tidak menghitung kekuatan konstruksi dan pemilihan spesifikasi komponen dan material kontainer.
I.5. Manfaat Penelitian
Manfaat yang dapat diperoleh pada penelitian skripsi ini adalah : 1. Memberikan informasi kepada perusahaan penyedia jasa
kontainer (container maker) mengenai penggunaan teknologi phase change material khususnya pada reefer
container untuk menunjang kegiatan distribusi muatan;
2. Mengetahui kelebihan dari penggunaan phase change
material ditinjau dari aspek teknis dan ekonomisnya sebagai
II.1. Peti Kemas / Kontainer
II.1.1. Perkembangan Kontainer
Dengan semakin meningkatnya kebutuhan pemakaian sarana peti kemas/kontainer untuk pengangkutan barang – barang/komoditi/cargo untuk kegiatan ekspor dan import maupun lokal, maka diiringi juga oleh perkembangan jenis dan bentuk peti kemas itu sendiri, atau dengan kata lain kontainer berevolusi sesuai dengan jenis barang yang akan dilayaninya.
Klasifikasi Bentuk Peti Kemas/Kontainer
- Bentuk Biasa, yaitu jenis closed box container with side door, dimana peti kemas hanya dapat dibuka pada satu sisi pintu, biasanya dipakai untuk barang barang dengan bentuk palet/box/bentuk yang teratur dan mudah penyusunannya. - Bentuk Open Top – Open Side, yaitu peti kemas yang bisa
dibuka pada sisi atas dan sisi lainnya yang bukan merupakan pintu kemas tersebut, biasanya untuk muatan yang over lenght dan over height
- Bentuk Open Side, yaitu peti kemas yang bisa dibuka pada bagian sisi samping saja selain pintu peti kemas tersebut, biasanya dipakai untuk muatan over lenght.
- Bentuk Over Top, yaitu peti kemas yang bisa dibuka pada bagian sisi atas saja selain pintu peti kemas tersebut, biasanya dipakai untuk muatan over height.
- Container with thermal, yaitu jenis peti kemas yang
terdiri dari berbagai jenis yaitu Insulated Container, Heated Container, Refrigerated Container.
Peti kemas jenis ini digunakan untuk membawa buah – buahan, obat – obatan, sayur – sayuran dan muatan lain yang sensitif terhadap perubahan suhu dan cuaca.
II.1.2. Reefer Container
Refrigerated/reefer container merupakan kontainer pelayaran yang digunakan pada intermoda angkutan barang yang didinginkan untuk menunjang kegiatan transportasi pada muatan barang tertentu yang sensitif terhadap perubahan temperatur lingkungan. Pada umumnya, sebuah reefer container memiliki data logger tersendiri untuk mencatat dan merekam perubahan temperatur yang terjadi di dalam kontainer. Disamping itu, reefer container juga memiliki unit mesin pendingin sendiri yang komponennya telah terpasang jadi satu dengan kontainernya, namun kerja dari unit mesin pendingin tersebut bergantung pada sumberdaya listrik yang ada di kapal maupun di dermaga.
a. Cara Kerja Reefer Container
Pada prinsipnya reefer container atau kontainer berpendingin bekerja untuk menjaga kesegaran produk yang diangkut. Pada saat reefer container akan digunakan maka ruangan pendingin dikondisikan dengan mengatur suhunya (setting temperature) sesuai dengan persyaratan suhu yang dibutuhkan oleh komoditas yang akan diangkut. Kemudian, komoditas muatan tersebut dipindahkan ke dalam ruang pendingin reefer container dalam keadaan persyaratan temperatur yang telah tercapai, selanjutnya reefer container ditutup rapat agar kondisi temperatur yang telah diatur sebelumnya tetap terjaga.
Gambar II.1. Unit Pendingin pada Reefer Container Sumber : Daikin, 2015
bukaan ventilasi. Udara masuk didinginkan dengan melalui kumparan evaporator di dalam unit mesin pendingin kontainer tersebut. Udara yang telah dingin kemudian mengalir melalui kisi kisi yang ada di bagian bawah kontainer. Kemudian udara dingin mengalir melalui muatan hingga pada akhirnya sampai pada bagian atas kontainer. Bentuk paling umum dari lantai kontainer adalah T-bar (T-floor).
Gambar II.2. Sirkulasi udara pada reefer container Sumber : Hamburg SUD, 2010
Pada reefer container, panas yang ditimbulkan tidak hanya berasal dari luar, tetapi panas yang ditimbulkan dapat berasal juga dari kargo/muatan yang diangkut. Untuk reefer
container yang mengangkut buah dan sayur tentu
dibutuhkan adanya sirkulasi udara. Hal ini dikarenakan untuk muatan seperti buah dan sayuran dapat menghasilkan panas saat respirasi. Panas ini tentu harus dihilangkan karena bisa merusak muatan.
b. Metode Penempatan Kontainer
Pada umumnya ada 2 metode penempatan untuk muatan yang mudah membusuk seperti buah dan sayuran, yaitu :
2. Palletized Cargo Stowed
Gambar II.3. Penempatan kargo dengan sistem block stowage Sumber : Hamburg SUD, 2010
Tipe palletized cargo stowage adalah tipe penempatan kargo dengan menggunakan keranjang atau box pallet. Sudut box harus selaras dengan sudut pallet untuk memastikan keseimbangan berat muatan. Lubang pada pallet ini akan memastikan udara bisa mengalir melalui muatan. Pada umumnya muatan seperti buah dan sayuran memakai tipe
palletized cargo. Untuk penyusunan muatan pada palletized
cargo dapat dilihat pada gambar berikut :
Bila menggunakan penyimpanan pallet, disarankan agar kargo terakhir dimuat ke dalam container harus ditumpuk, untuk mendorong aliran udara melalui kargo dan mencegah udara keluar melalui ruang terbuka di sekitar karton. Apabila muatan tidak sepenuhnya menutup T-floor sebaiknya dipasang filler atau kayu pada bagian bawah. Skema sirkulasi udara pada reefer container dapat dilihat pada gambar berikut :
Gambar II.5. Penempatan kargo pada reefer container Sumber : Hamburg SUD, 2010
c. Ukuran Reefer Container
Tabel II.1. Detail spesifikasi Reefer Container (Sumber : Hamburg SUD, 2010)
Equipment
II.1.3. Peralatan khusus penunjang reefer container
Pada kapal pengangkut reefer container diperlukan beberapa peralatan khusus untuk menunjang operasional reefer container diantaranya :
1. Sebuah sistem pendingin muatan
2. Sistem kontrol yang efektif untuk dapat memenuhi persyaratan temperatur muatan;
3. Kapasitas generator set harus mampu memenuhi kebutuhan daya yang diperlukan oleh peralatan di unit mesin pendingin 4. Peralatan pemantauan khusus (baik secara manual ataupun
komputerisasi) untuk memantau muatan dan peralatan secara aman;
5. Sistem kontrol ventilasi yang efektif.
Tingkat kelembaban udara di dalam ruang kargo perlu dipertahankan.
6. Persyaratan tambahan untuk pompa bilga;
Setelah proses loading muatan, karena penurunan suhu yang cepat maka akan menyebabkan terjadinya kondensasi, dan dapat menyebabkan akumulasi air kondensasi yang berlebih, sehingga perlu dikontrol dengan pompa bilga;
7. Sebuah kapal pengangkut reefer container yang modern juga dilengkapi dengan inert gas generator dan sistem penunjangnya. Sehingga proses pendinginan dan kontrol atmosfer dapat diaplikasikan pada muatan secara tepat.
Gambar II.6. Kapasitas pendingin pada reefer container Sumber : www.containerhandbuch.de
II.2. Perpindahan Panas
II.2.1. Perpindahan Panas Secara Konduksi
Konduksi adalah perpindahan panas yang terjadi karena adanya kontak langsung antar permukaan benda. Jika pada suatu benda terdapat perbedaan suhu, maka akan terjadi perpindahan energi dari benda yang bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu rendah. Hukum Fourier menjelaskan mengenai persamaan untuk menyatakan perpindahan kalor secara konduksi :
... (1)
Dimana :
q : laju perpindahan kalor (W)
k : konduktivitas thermal benda (W/moC)
A : luas bidang yang tegak lurus dengan arah laju perpindahan kalor (m2)
: gradient suhu ke arah perpindahan kalor (oC/m)
B
Berdasarkan persamaan diatas menunjukkan bahwa laju perpindahan panas dipengaruhi oleh besarnya konduktifitas thermal dari suatu bahan yang digunakan. Semakin besar konduktifitas thermal bahan maka semakin besar pula laju perpindahan panas yang terjadi.
Tabel II.2. Konduktivitas Thermal Bahan Insulasi Kontainer
No Jenis Bahan Konduktifitas
Thermal, W/m°C
1 Stainless Steel 16,2
2 Polyurethane 0,04
3 Carbon Steel 50,2
5 Plywood 0,12
6 T - Floor 205
II.2.2. Perpindahan Panas Secara Konveksi
Konveksi adalah proses perpindahan kalor melalui zat penghantar yang disertai dengan perpindahan bagian zat – zat itu. Untuk menyatakan pengaruh konveksi secara menyeluruh maka digunakan hukum Newton tentang pendinginan, dengan persamaan berikut :
q = hA (Ts– Tf) ... (2)
Dimana :
q : laju perpindahan kalor (W)
h : koefisien perpindahan panas konveksi (W/moC) A : luas penampang (m2)
II.2.3. Perpindahan Panas Secara Radiasi
Radiasi merupakan perpindahan panas melalui pancaran atau radiasi elektromagnetik tanpa melalui suatu media. Perpindahan panas dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut :
q = ε1 x ϭ x A1 x (T1 4–
T2)... (3)
Dimana :
ε : emisivitas, sifat radiasi pada permukaan A : luas penampang (m2)
ϭ : konstanta Stefan Boltzman (5,669 x 10-8 W/m2K4) T1
4
: temperatur absolut permukaan (K4) T2
4
Gambar II.7. Konsep Perpindahan Panas (Sumber : www.cma-cgm.com, 2015)
II.2.4. Perhitungan Beban Pendingin
Beban pendingin dapat didefinisikan sebagai suatu beban yang dihasilkan oleh sumber energi panas yang nantinya dapat mempengaruhi kapasitas sistem pendingin. Beban merupakan sumber energi panas yang terdiri dari : beban produk, beban infiltrasi, beban transmisi.
a. Beban Produk
Beban produk adalah panas yang dilepaskan oleh produk untuk menjaga temperatur produk agar tetap konstan. Dengan asumsi bahwa massa produk merupakan massa total dari store box dalam keadaan penuh. Pada tahap ini terdapat tahap pendinginan. Dimana tahapan pendinginan merupakan tahapan terjadinya penurunan temperatur dari temperatur awal produk ke temperatur pendinginannya. Beban panas sensibel yang dibuang sebesar :
Dimana :
m = Massa produk (kg)
Cp = Panas spesifik diatas titik beku produk (kJ/kgoC) ∆T = Perbedaan temperatur awal dan akhir (oC)
b. Beban Infiltrasi
Masuknya udara luar ke dalam ruangan mempengaruhi suhu udara dan tingkat kelembaban di ruangan tersebut. Pada saat pintu container dibuka, maka udara luar akan masuk. Temperatur dan kelembaban udara luar yang tinggi harus diturunkan hingga mencapai kondisi temperatur yang diinginkan tercapai. Jadi beban infiltrasi merupakan beban pendinginan yang perlu diatasi oleh alat pendingin. Besarnya beban infiltrasi dapat dihitung dengan persamaan berikut :
Qif = m x (ho-hi) ... (5)
Dimana :
Qif = beban panas akibat pertukaran udara (kW) m = massa udara yang masuk ke dalam ruangan (L/s) ho = enthalpy udara luar (kJ/L)
hi = enthalpy udara dalam (kJ/L)
c. Beban Transmisi
Akibat adanya perbedaan temperatur antara reefer container dengan udara luar, maka sejumlah panas akan mengalir. Besarnya panas yang mengalir dipengaruhi oleh beberapa hal seperti letak, bahan material dan udara lingkungan sekitar reefer container. Beban transmisi dapat dihitung dengan persamaan :
Dimana :
Q = Laju perpindahan panas (W) A = Luas permukaan (m2)
U = Koefisien perpindahan panas total (W/m2K) ∆T = Perbedaan temperatur udara luar dan dalam reefer container (oK)
d. Koefisien Perpindahan Kalor Menyeluruh
Gambar II.8. Perpindahan Kalor Menyeluruh (Sumber : dokumentasi pribadi)
Aplikasi sederhana dari perpindahan panas ini dapat dilihat pada gambar diatas. Gambar II.8 tersebut menunjukkan laju aliran panas q yang bergerak dari fluida A melewati benda A1 menuju fluida B. Proses perpindahan kalor dapat digambarkan dengan jaringan tahana seperti pada gambar II.9. berikut :
II.3. Sistem Refrigerasi Daur Kompresi Uap
Dalam proses pendinginan suatu ruangan, dibutuhkan energi yang harus dipindahkan yaitu berupa energi dalam bentuk panas dari ruangan menuju fluida kerja. Proses tersebut dilakukan secara kontinyu sampai temperatur yang diinginkan tercapai. Untuk mencapai proses tersebut dilakukan dengan cara close cycle (siklus tertutup), dimana tidak ada fluida yang keluar ke lingkungan.
Siklus pada proses close cycle tersebut diawali dengan penyerapan panas pada ruangan oleh bantuan fluida kerja, dalam hal ini refrigerant kemudian energi dalam bentuk panas tersebut di buang ke lingkungan. Pada proses pelepasan kalor ke lingkungan dapat dipermudah dengan cara menaikkan tekanan refrigerant dan akan menyebabkan temperatur nya mengalami kenaikan pula. Proses peningkatan tekanan tersebut membutuhkan energi dari kompresor.
Gambar II.10 Sistem Daur Kompresi Uap Sumber : Modul Sistem Refrigerasi, George E.K
kompressor saat langkah pengeluaran (discharge stroke).
Refrigerant ini kemudian mengalir ke kondensor. Di kondensor
uap refrigerant yang bertekanan dan bersuhu tinggi
diembunkan. Panas dilepaskan ke lingkungan dan terjadi fase
refrigerant dari uap ke cair. Dari kondensor dihasilkan
refrigerant cair bertekanan tinggi dan bersuhu rendah. Tekanan tinggi dari refrigerant cair tersebut kemudian diturunkan dengan katup ekspansi sehingga dihasilkan refrigerant cair bertekanan dan bertemperatur rendah dalam bentuk kabut yang kemudian dialirkan kembali ke evaporator, refrigerant cair mengambil panas dari lingkungan yang akan didinginkan dan menguap sehingga terjadi uap refrigerant bertekanan rendah.
II.3.1.Komponen sistem refrigerasi
a. Kompresor
Kompresor merupakan jantung dari sistem refrigerasi. Pada saat yang sama kompresor menghisap uap refrigeran yang bertekanan rendah dari evaporator dan memampatkannya menjadi uap bertekanan tinggi, sehingga uap akan tersirkulasi. Fungsi utama dari kompresor adalah untuk menaikkan tekanan fluida dalam hal ini refrigeran, yaitu dengan cara memampatkan fluida kerja yang berasal dari evaporator untuk kemudian dialirkan ke kondensor sehingga bersuhu dan tekanan tinggi .
Pertimbangan dalam pemilihan jenis kompresor adalah :
- Konstruksi kompresor lebih sederhana
- Getarannya kurang karena tidak ada bagian yang bergerak bolak balik
Persamaan daya kompresor pada kondisi superheated vapor dapat dirumuskan dengan :
W comp = m ref . ( h2– h1)... (7)
Pada evaporator ini, refrigeran menyerap kalor dari ruangan yang didinginkan. Penyerapan kalor ini menyebabkan refrigeran mendidih dan berubah wujud dari cair menjadi uap (kalor laten).
m ref = laju aliran massa refirgerant (kg/s)
h = enthalpy (kJ/kg)
tidak terlalu besar. Untuk menaikkan koefisien perpindahan panas maka pipa pipa evaporator dilengkapi dengan sirip pada permukaan luarnya, dengan tujuan untuk memperbesar luasan permukaan yang berhubungan dengan udara. Pipa pipa evaporator dan sirip nya terbuat dari bahan tembaga.
Pertimbangan dalam pemilihan material tembaga sebagai pipa evaporator adalah
1. Konstruksinya ringan, kuat, tidak mudah berkarat dan mudah ditekuk
2. Memiliki nilai konduktivitas thermal yang besar sehingga mudah menghantarkan panas dari pipa ke sirip .
Gambar II.11. Evaporator koil bersirip pelat jenis ekspansi langsung
c. Kondensor
Kondensor merupakan salah satu komponen utama dari sebuah mesin pendingin. Pada kondensor terjadi perubahan wujud refrigeran dari uap super-heated (panas lanjut) bertekanan tinggi ke cairan sub-cooled (dingin lanjut) bertekanan tinggi. Agar terjadi perubahan wujud refrigeran (pengembunan/condensing), maka kalor harus dibuang dari uap refrigeran.
Untuk mendapatkan Q kondensor (tekanan tinggi), QH dapat
menggunakan persamaan sebagai berikut :
QH = m ref . ( h2– h3)... (9)
Dimana :
QH = Q kondesor (kJ/s)
m ref = laju aliran massa refirgerant (kg/s)
h = enthalpy (kJ/kg)
Pada perancangan sistem refrigerasi di reefer container ini akan digunakan kondensor berpendingin udara atau air cooled condensor.
Ciri ciri kondensor pendinginan udara sebagai berikut : 1. Tidak memerlukan komponen pompa air, pipa air
pendingin, penampung air, dan media fluida air
2. Dapat dipasang dimana saja, asal berhubungan dengan udara bebas
Gambar II.12. Kondensor pendingin udara koil bersirip pelat
(Sumber : Penyegaran Udara, Wiranto, hal. 153)
d. Katup Ekspansi
Katup ekspansi digunakan untuk mengekspansi cairan refrigeran secara adiabatik dari temperatur dan tekanan tinggi sampai mencapai temperatur dan tekanan rendah. Selain itu, katup ini dapat digunakan juga untuk mengontrol pemasukan refrigeran sesuai beban pendinginan yang harus ditangani oleh evaporator. Katup ekspansi yang digunakan berjenis thermostatic expansion valve karena cocok untuk sistem refrigerasi berukuran kecil atau sedang. Beberapa jenis katup ekspansi yang dikenal adalah pipa kapiler, katup ekspansi otomatis, dan katup ekspansi termostatik
e. Pengering dan Saringan (Filter Dryer)
dapat menyerap uap air dan kotoran di dalam sistem pendinginan disebut dryer / pengering. Di dalam pengering ini berisi bahan pengering dan kawat saringan, yang dapat menyerap uap air, asam dan campuran, endapan minyak pelumas dan menyaring partikel patikel kotoran di dalam sistem. Peletakkan komponen dryer / pengering ini pada sisi tekanan tinggi dari sistem, yaitu pada saluran cair/liquid line, di dekat katup ekspansi dan sebaiknya dipasang pada posisi tegak berdiri, dengan lubang masuk pada bagian bawah. Umumnya pengering dipasang permanen dan dilakukan penggantian apabila bahan pengering tidak dapat menyerap lagi.
Beberapa hal yang dapat terjadi apabila tidak dipasang filter dryer di dalam sistem refrigerasi
1. Uap air di dalam sistem dapat membeku dan membuat sistem menjadi tersumbat/buntu
2. Air dan asam dapat merusak minyak pelumas kompresor, membenuk endapan yang dapat membuat saringan dan katup ekspansi menjadi buntu.
Gambar 2.13. Filter Dryer
Bahan pengisi pengering antara lain :
1. Silica Gel
Sering digunakan, berbentuk butiran bulat atau kristal dengan warna putih. Tidak dapat hancur menjadi tepung atau lengket, tidak bereaksi dengan minyak pelumas kompresor. Silica Gel setelah menjadi jenuh atau tidak dapat menyerap lagi dapat diaktifkan kembali dengan dipanaskan pada suhu 120-250 °C, dan setelah menjadi dingin dapat dipakai kembali
2. Molecular Sleeve
Berbentuk butiran seperti lada putih. Tidak bisa pecah atau lengket dan dapat dipakai secara permanen dan memiliki kemampuan menyerap air sangat kuat.
Molecular Sleeve setelah menjadi jenuh dapat diaktifkan
kembali dengan memanaskan pada suhu 200-300 C
f. Saringan (Filter)
Saringan berguna untuk menyaring bahan pendingin cair sebelum masuk ke katup ekspansi agar kotoran yang ikut terbawa bahan pendingin cair tidak masuk ke dalam katup. Saringan harus mampu menyaring semua kotoran pada sistem, namun tidak boleh menyebabkan penurunan tekanan atau membuat sistem buntu.
II.4. Phase Change Material
II.4.1. Pengenalan Phase Change Material
Phase Change Material atau material berubah fasa merupakan
menyimpan panas dalam kapasitas yang besar dengan proses penyerapan dan pelepasan energi panas yang terjadi pada temperatur yang hampir konstan.
Gambar II.14. Kurva Temperature Phase Change Material (Sumber : http://www.rgees.com/technology.php)
Untuk cara kerja dari phase change material sendiri ialah dengan menyerap panas dari ruangan sehingga temperatur PCM akan meningkat, Ketika titik leleh PCM telah tercapai maka fasa nya akan berubah menjadi cair (kalor sensibel), kemudian dilanjutkan proses penyerapan panas oleh PCM yang cukup besar tanpa ada kenaikan temperatur (kalor laten). Kemudian temperatur akan bernilai konstan hingga proses pelelehan berakhir. Ketika temperatur lingkungan sekitar
menurun, maka fasa PCM akan berubah menjadi
Gambar II.15. Cara Kerja Phase Change Material (Sumber : www.cma-cgm.com, 2015)
II.4.2. Klasifikasi Phase Change Material
Phase Change Energy Storage merupakan bentuk dari
penyimpanan kalor laten. Prinsip utama dari Latent Heat Storage adalah ketika panas mengenai sebuah material maka panas tersebut dapat mengubah fase material yang semula padat menjadi cair dengan cara menyimpan kalor laten. Sistem penyimpanan kalor laten ini harus memiliki tiga komponen antara lain material PCMs yang cocok untuk temperatur desain, sistem penahan yang baik untuk bahan menyimpan, fluida yang efektif untuk membawa panas dari sumber panas menuju tempat penyimpanan. Phase Change Material secara garis besar terbagi atas 3 kategori, yaitu : Organic, Inorganic, Euthectic. Klasifikasi dari phase change
Gambar II.16. Klasifikasi Phase Change Material (Sumber : Lalit M. Bal, 2010)
a. Organic
Phase Change Material Organic terbagi atas Paraffin
Compounds dan Non Paraffin Compounds.Pemilihan bahan
organik yang dapat digunakan sebagai bahan phase change material berupa bahan yang memiliki titik leleh rendah. Phase
Change Material berbahan organik banyak digunakan untuk
kategori food grade level karena diketahui tidak berbahaya. 1. Paraffin
Paraffin terdiri dari campuran ikatan alkana yang termasuk dalam hidrokarbon jenuh bersifat non polar. Paraffin dihasilkan melalui penggabungan CH2 berturut turut.
Contoh paraffin yang paling sederhana adalah metana (CH4) yang merupakan titik awal untuk pertambahan
panjang rantai. Titik leleh dari paraffin ini akan bertambah tergantung dari panjang rantai ikatan CH3. Paraffin
2. Non Paraffin
Material PCM organik Non Paraffin sering disebut juga dengan nama fatty acids merupakan PCM dengan jumlah variasi paling banyak. Masing masing material ini memiliki sifat sifat tersendiri, tidak seperti material paraffin yang rata rata memiliki sifat yang hampir sama. Jenis material ini adalah material penyimpanan panas yang paling sering digunakan. Beberapa material organik non paraffin ini memiliki sifat seperti :
- Kalor jenis laten yang tinggi - Titik nyala kecil
- Thermal konduktivitas yang rendah - Tidak mudah terbakar
- Tidak terlalu berbahaya
b. Inorganic
Phase Change Material Inorganic secara umum terbagi dua, yakni Salt Hydrates dan Metalics.
-Salt Hydrates memiliki konduktivitas thermal yang
cukup tinggi;
-Ketika mencair, perubahan volume yang terjadi kecil -Non – korosif, tingkat racun kecil dan tidak bereaksi
dengan plastik
2. Metallics
volume. Perbedaan dengan PCM lainnya ialah metallics memiliki konduktivitas thermal yang baik.
c. Euthetic
Sebuah PCM Euthetic adalah komposisi lelehan minimum dari dua atau lebih komponen yang masing masing mencair dan membeku dan membentuk komponen kristal selama proses kristalisasi terjadi.
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
Metodologi penelitian yang digunakan pada pengerjaan Tugas Akhir ini berupa studi perancangan yang berbasis studi literatur serta data data pendukung yang diperoleh melalui bahan pustaka maupun kegiatan pengamatan di lapangan. Pada bab ini akan diuraikan tahapan tahapan penyusunan laporan sebagai acuan untuk menyelesaikan pekerjaan, dengan maksud agar Tugas Akhir ini dapat mencapai tujuan dan target penyelesaian sesuai waktu yang telah ditentukan. Adapun tahapan tahapan yang dilakukan dalam pengerjaan tugas akhir ini adalah sebagai berikut :
III.1. Identifikasi dan Perumusan Masalah
Pada tahapan paling awal ini, akan dirumuskan permasalahan apa saja yang ingin dibahas dalam penulisan tugas akhir ini. Kajian teknis dan ekonomis mengenai perancangan reefer container berbasis teknologi phase change material untuk aplikasi di kapal merupakan masalah pokok yang ingin diselesaikan dalam skripsi.
III.2. Studi Literatur
Pada tahapan kedua ini membahas masalah studi literatur, tujuan dari bab ini untuk mencari referensi dan bahan pustaka yang terkait dengan tema atau topik yang menunjang pembahasan dalam skripsi ini, yaitu mengenai refrigerated container, phase change material, perancangan sistem refrigerasi, perpindahan panas. Literatur yang ditinjau bersumber dari media seperti : - Buku / Modul / e-book / Handbook
- Publikasi artikel ilmiah (jurnal, proceeding, paper) - Tugas Akhir, thesis
Sedangkan untuk pencarian beberapa bahan pustaka tersebut dilakukan di beberapa tempat, antara lain :
- Perpustakaan ITS - Ruang Baca FTK
- Laboratorium Mesin Fluida dan Sistem, Jurusan Teknik Sistem Perkapalan FTK ITS
III.3. Pengumpulan Data
Tahap pengumpulan data dilakukan dengan cara melakukan observasi lapangan ke tempat studi kasus yang telah ditentukan maupun melalui data sekunder yang dikumpulkan dari berbagai studi literatur. Data data yang diperlukan untuk menunjang pengerjaan tugas akhir ini antara lain :
- Data ukuran dan spesifikasi reefer container
- Data record performance unit mesin pendingin pada reefer container
- Data basic design perencanaan sistem pendingin di kontainer darat (mobile refrigerated container)
III.4. Studi Empiris
Pada tahapan ini, dilakukan studi empiris tentang obyek yang akan diteliti, meliputi :
- Desain sistem refrigerasi menggunakan hybrid phase change material
- Studi tentang existing design dari sistem refrigerasi phase change material, baik melalui penelitian penelitian terdahulu maupun mengacu dari design yang sudah ada, dalam hal ini dipakai desain dan perhitungan pada mobile reefer container - Komponen – komponen apa saja yang dibutuhkan oleh
III.5. Perancangan Sistem Refrigerasi untuk Reefer Container
Pada tahapan ini akan dilakukan desain untuk sistem refrigerasi berbasis teknologi phase change material untuk reefer container. Dalam perancangan ini, tahapan yang dilakukan adalah :
III.5.1. Perhitungan Beban Pendinginan Total
Perhitungan beban pendinginan merupakan proses pertama yang dilakukan setelah studi empiris. Perhitungan ini dilakukan untuk mendapatkan jumlah beban panas yang diserap oleh sistem untuk menurunkan temperatur produk. III.5.1.1. Beban Pendinginan Produk
Pada skripsi ini produk yang diangkut adalah frozen food dengan kapasitas kalor spesifik sebesar 3,65 kJ/kg°C, kapasitas muatan total produk yang dapat diangkut pada reefer container ukuran 20 feet sebesar 6887,4 kg.
III.5.1.2. Beban Pendinginan Transmisi
Adanya perbedaan temperatur di dalam dan di luar
ruangan mengakibatkan timbulnya beban
pendinginan dari bangunan. Dalam perancangan ini, direncankan suhu di dalam ruang pendingin reefer container sebesar -18 °C dan suhu di luar ruangan 27°C
III.5.1.3. Beban Pendinginan Akibat Infiltrasi
III.5.1.4. Beban Pendinginan Akibat Sumber Panas Lain Beban pendinginan akibat sumber panas lain ini terdiri dari beban akibat penerangan, beban akibat motor listrik serta beban akibat kalor dari pekerja.
III.5.2. Perhitungan Coeficient of Performance
Perhitungan COP yang dilakukan mengacu pada 2 data pengamatan (record temperature) dari PT. EST International Tuban, pada 2 kontainer berpendingin dengan ukuran yang sama, namun menggunakan sistem refrigerasi yang berbeda, satu kontainer menggunakan sistem refrigerasi konvensional, dan satu kontainer yang lain menggunakan sistem refrigerasi hybrid PCM. Sehingga untuk membandingkan performance 2 reefer container tersebut, secara teoritis dapat dilakukan dengan melakukan perhitungan coefficient of performance masing masing kontainer. Nilai COP sendiri dapat dihitung setelah nilai enthalpy pada setiap titik diketahui melalui pembacaan di grafik p-h chart sesuai jenis refrigerant yang sama sama digunakan pada kedua reefer container tersebut.
III.5.3. Perancangan Komponen Mesin Refrigerasi
Setelah parameter awal data perancangan mesin refrigerasi diketahui, selanjutnya adalah menghitung kebutuhan untuk perancangan komponen pada sistem refrigerasi hybrid PCM, pada kompresor, evaporator, kondensor, katup ekspansi dan kebutuhan PCM untuk reefer container 20 feet.
III.5.4. Desain Reefer Container
2005. Diantaranya, jenis pipa refrigerant dengan material tembaga atau Copper ASTM B280, diameter ¾ inchi, dengan jenis refrigerant yang digunakan yaitu R404a. Untuk susunan insulasi pada bagian dinding kontainer sisi samping, kanan, kiri, belakang dan atas berurutan adalah Stainless Steel – Polyurethane – Stainless Steel. Sedangkan susunan insulasi pada bagian alas/dasar kontainer berurutan adalah Carbon Steel – Extruded Polystyrene Foam – Plywood – T-Floor
Aluminium. Reefer container ini menggunakan sistem
refrigerasi daur kompresi uap yang dikombinasikan dengan sistem refrigerasi hybrid phase change material. PCM yang digunakan pada desain kontainer ini berbahan euthectic, dengan karakteristik food grade level, freezing temperature 0 ~ -30°C dan Heat of Fusion 200,5 kJ/kg (Renewable and
Sustainable Energy Reviews 13 (2015) hal. 327)
III.6. Tahap Analisa Data dan Pembahasan
Pada tahapan analisa ini akan dilakukan kegiatan sebagai berikut
a.Validasi
Melakukan validasi terhadap hasil perancangan yang telah dilakukan sebelumnya dengan mempertimbangkan :
- Technical requirements.
Apakah sistem refrigerasi pada reefer container berbasis teknologi phase change material hybrid yang dirancang sebelumnya sudah memenuhi persyaratan teknis.
- Peraturan dari organisasi yang berwenang / rules
b. Pembahasan
Melakukan pembahasan dari hasil analisa ekonomis yang telah dilakukan dalam bentuk uraian serta tabulasi hasil komparasi antara sistem refrigerasi untuk reefer container yang menggunakan unit mesin pendingin konvensional terhadap sistem refrigerasi berbasis teknologi phase change material.
III.7. Penutup
III.8. Flow Chart Pengerjaan Tugas Akhir
Tidak
Gambar III.1. Flow chart pengerjaan tugas akhir Mulai
- Desain refrigerasi hybrid PCM - Studi tentang existing design sistem refrigerasi berbasis PCM - Komponen yang dibutuhkan Identifikasi dan Perumusan Masalah
III.9. Time Line Pengerjaan Tugas Akhir
Studi empiris pada penelitian ini menjelaskan tentang konsep desain untuk memberikan gambaran serta kalkulasi awal dari karakteristik penggunaan sistem pendingin berbasis phase change material pada reefer container.
IV.1. Konsep Sistem Refrigerasi Hybrid Pada Truk Kontainer Berpendingin (Mobile Reefer Container)
Gambar IV.1. Diagram Skematik Sistem Refrigerasi Hybrid Pada Mobile Reefer Truck
(Sumber : Olunbumi, 2012)
Dewasa ini, penggunaan hybrid reefer unit telah banyak dikembangkan. Hybrid reefer merupakan sebuah teknologi dimana reefer menggunakan dua jenis sumber energi, yakni motor diesel dan motor listrik. Pada saat proses bongkar muat, reefer container disambungkan ke power
supply untuk menggerakkan motor listrik guna
generator untuk menghasilkan energi dalam menjalankan sistem refrigerasi pada reefer. Namun, pada sistem ini bahan bakar yang dikonsumsi oleh motor diesel bertambah besar karena harus dibebani dengan generator. Maka dari itu, munculah penggunaan Phase Change Material (PCM) untuk mempertahankan temperatur pada reefer.
IV.2. Konsep Sistem Refrigerasi Hybrid Phase Change Material Pada Truk Kontainer Berpendingin (Mobile Reefer Container)
IV.2.1. Prinsip kerja secara umum
Penggunaan phase change material (PCM) pada reefer truck sudah mulai banyak dilakukan, yakni dengan sistem refrigerasi hybrid. Pada sistem ini evaporator mendinginkan modul PCM (charging) selama rentang waktu tertentu, kemudian setelah charging selesai, refrigerator/mesin pendingin dimatikan, sehingga PCM akan bekerja penuh untuk menjaga temperatur di dalam cold storage.
Gambar IV.2. Diagram Skematik Sistem Refrigerasi
Phase Change Material Pada Reefer Container
Sistem refrigerasi ini memanfaatkan PCM untuk menjaga temperatur didalam container/cold storage. Mesin refrigerasi hanya dioperasikan untuk charging mendinginkan PCM. Selanjutnya PCM berfungsi menggantikan kerja mesin refrigerasi dalam mempertahankan temperatur. Pada sistem ini PCM akan dilakukan proses pembekuan terlebih dahulu atau disebut charging selama 8 – 10 jam non stop, tergantung banyaknya muatan yang dapat diangkut. Nantinya setelah proses charging selesai, supply listrik akan dimatikan dan kemudian PCM bekerja 100% untuk mempertahankan temperatur muatan di dalam reefer container. Kompresor / daya listrik akan kembali menyala untuk proses charging lagi ketika temperatur PCM sudah mulai naik. Sehingga dengan penambahan komponen PCM ini, kebutuhan daya untuk pemakaian energi listrik dapat diturunkan selama rentang waktu tertentu.
Gambar IV.3. Penempatan PCM pada Reefer Truck (Sumber : PT. EST International website, 2014)
temperatur kerja. PCM memiliki dua karakteristik utama, yakni densitas penyimpanan panas yang sangat tinggi dan kemampuan menyimpan dan melepaskan panas dalam jumlah yang cukup besar pada temperatur konstan. Hal ini membuat PCM menjadi alternatif yang bagus sebagai media penyimpan panas untuk berbagai macam aplikasi.
IV.2.2. Prinsip kerja sistem PCM Euthectic
Sistem refrigerasi hybrid PCM pada truk kontainer berpendingin umumnya menggunakan sistem euthectic. Phase change material dengan sistem euthectic terdiri dari tabung berongga maupun balok berupa module module yang berisi material PCM euthectic untuk menyimpan energi dan menghasilkan efek pendinginan yang diperlukan untuk menjaga suhu di dalam reefer
container dengan baik. Konsep pendinginan dengan
euthectic ini berbeda dengan sistem pendingin
konvensional, dimana pada sebuah sumber pendinginan (penyerapan panas) dilakukan oleh phase change material dengan ekspansi langsung dari gas refrigerant. Material material balok yang mengandung euthectic di charging (didinginkan / dibekukan) pada malam hari melalui sumber listrik utama. Setelah material balok
(module) PCM euthectic tersebut dibekukan, kemudian
ia dioperasikan secara perlahan dan mendinginkan produk dalam durasi waktu tertentu dengan cepat.
storage, fresh produced transport truck refrigeration,
chilled good transport dll karena properties pada PCM
Euthectic tidak berbahaya untuk produk produk yang dikonsumsi manusia, atau tergolong material food grade level.
IV.2.3. Keuntungan dan Kelemahan Sistem Refrigerasi dengan Phase Change Material
Keuntungan :
1. Mengurangi konsumsi pemakaian daya listrik kompresor,
2. Cocok untuk setiap kondisi iklim,
3. Penanganan apabila terjadi kerusakan yang mudah, 4. Mudah dalam pemasangan instalasi dan perbaikan,
5. Less noise operation
6. Mengurangi emisi gas karbon secara signifikan karena pada reefer truck dengan instalasi PCM mampu mengurangi konsumsi diesel geneator set
Kelemahan :
1. Waktu pemakaian hanya bertahan selama periode waktu tertentu (8 – 12 jam per hari)
2. Penambahan beban panas akan sering terjadi akibat frekuensi buka tutup pintu cold storage.
IV.2.4. Pertimbangan Dalam Pemilihan Properties PCM
Beberapa pertimbangan yang diperlukan dalam memilih karakteristik PCM yang sesuai untuk digunakan pada system refrigerasi adalah :
Bahan perubahan fasa harus non beracun, tidak mudah terbakar, tidak korosif, dan non eksplosif,
Tidak ada kandungan komposisi kimia berbahaya, sehingga life time sistem dan produk muatan yang diangkut tetap terjamin (food grade level)
4.3. Sistem Bongkar Muat
Proses pemuatan produk yang akan diangkut kontainer dari
warehouse/store masuk ke dalam reefer container
(loading/stuffing) awalnya dilakukan dengan
mengkondisikan terlebih dahulu temperatur di dalam ruang reefer container (setting temperature). Ketika temperatur yang di setting telah tercapai, kemudian produk mulai dimasukkan ke dalam ruang kontainer/cold storage dengan menggunakan bantuan forklift untuk mempercepat proses pemindahan muatan dari warehouse/store ke dalam kontainer agar tidak terjadi kenaikan temperatur yang signifikan karena lamanya bukaan pintu kontainer. Selain itu, hal ini bertujuan agar produk/muatan tidak rusak karena kesalahan dalam pemindahan muatan oleh manusia.
IV.4. Komponen Sistem Refrigerasi Hybrid PCM
Komponen utama pada sistem refrigerasi hybrid PCM antara lain :
1. Evaporator
2. Compressor
3. Condensor
4. Expansion Valve
5. Module Phase Change Material
Gambar IV.4. Komponen mesin pendingin reefer container (Sumber : dokumentasi pribadi)
IV.5. Pertimbangan dalam desain reefer container berbasis teknologi phase change material, antara lain :
IV.5.1. Aspek Teknis
a. Pemilihan komponen tambahan untuk menunjang phase
tentang safety standard refrigeration system, diantaranya harus mencakup beberapa aspek berikut -Jenis pipa refrigerant
-Supporting pipe elements
-Bahan insulasi
-Standar keselamatan (safety standard)
b. Desain reefer container
-Penempatan space untuk komponen mesin refrigerasi
(kondensor, kompresor, jalur pipa
refrigerant/evaporator, fan)
-Bahan insulasi yang digunakan untuk lapisan dinding reefer container
-Pemasangan module module phase change material (dirrect contact atau nondirrect contact)
c. Life time
-Berdasarkan pengamatan di lapangan (PT. EST International, 2016) yang berkaitan dengan performance PCM, umumnya produktivitas PCM akan turun 3% setiap 3 bulan (atau setiap 100 x cycle charging)
IV.5.2. Aspek Ekonomis
a. Daya Kompresor
Perhitungan besarnya daya yang dibutuhkan oleh kompresor pada saat mengkondisikan temperatur reefer container pada mesin refrigerasi dengan sistem hybrid PCM dan mesin refrigerasi konvensional.
b. Capital Expenditures
Estimasi modal awal pembelian komponen dan material yang dibutuhkan guna memodifikasi reefer container konvensional menjadi reefer container dengan sistem hybrid phase change material.
c. Fuel saving
Perhitungan estimasi penghematan bahan bakar untuk bahan bakar diesel generator set di kapal yang dapat disimpan selama periode waktu tertentu pengoperasian reefer container dengan sistem konvensional terhadap sistem hybrid PCM
d. Operational Cost
Berhubungan dengan biaya untuk operasional kerja mesin refrigerasi.
e. Analisa Perbandingan
Mengkomparasi total kebutuhan ekonomis yang ditimbulkan antara penggunaan sistem refrigerasi konvensional dengan sistem refrigerasi hybrid phase change material.
IV.6. Penelitian Sebelumnya
IV.6.1. Namjoshi et. all. Use of Phase Change Material to
Improve Performance in Dirrect Cool Refrigerators.
